光伏玻璃材料的研究进展

玻璃是光伏组件中最重要的光伏材料之一，其在空气/玻璃界面的反射损耗约为4%。

为了更进一步提高玻璃的透光性，通常会在其表面覆盖一层减反射薄膜(ARC)，从而提高组件的功率和效率。

其机理是：太阳光在不同材料界面间会形成不同的反射光，反射光之间会存在干涉，形成新的光波。由于光的波动性，有一定概率叠加抵消，从而反射光被削弱，透射光增强。减反射膜在起到增透作用的同时，有些膜层同时具备超疏水和自清洁的功能。

使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为玻璃基板上的增透层，可发现在350~800nm波段内，PDMS薄膜叠合在玻璃衬底上表现出疏水性，水接触角(qCA)约120°，太阳光平均透射率(SWT)为94.2%，均显著高于玻璃衬底的水接触角(qCA)36°和太阳光平均透射率90.3%(图1)。

图1 为350~800nm时，玻璃基片和IMNPDMS(P380)/玻璃的太阳光平均透射率(SWT)与入射角q的关系(对应样品计算得出的SWT与q关系如插图所示)

采用PDMS薄膜改性的玻璃基板上制备的有机太阳电池，取得的功率转换效率(PCE)为6.19%，短路电流密度Jsc为19.74mA/cm2，相比于普通玻璃衬底制备的有机太阳电池的PCE(5.16%)和Jsc(17.25mA/cm2)有明显提高。

受荷叶微观形貌启发制备的具有分层金字塔阵列形貌的钙钛矿太阳电池具有更强的自清洁特性和防水性。

在CH3NH3PbI3钙钛矿太阳电池上使用PDMS薄膜，由于减反射效应，其功率转换效率PCE从13.12%提高到14.01%。

此外，钙钛矿太阳电池上的PDMS薄膜表现出优异的超疏水特性，使钙钛矿太阳电池具有防水性能。应用在玻璃上的减反射材料还有二氧化硅等。

通过溶胶-凝胶法形成的硅基减反射膜具有足够高的孔隙率和理想厚度，被认为是一种低成本提高组件PCE的方法。

除了光学性能外，太阳能玻璃上减反射膜的户外耐久性，如机械、湿度和化学稳定性等，对减反射膜在光伏组件中的实际应用也十分重要。

为了同时实现优异的光学性能和户外耐久性，人们开发了各种硅基减反射膜。在孔隙结构方面，减反射膜主要有开孔结构和闭孔结构两种。

这些材料表面的润湿性通常是亲水的或疏水的。除了优良的光学性能和耐久性外，灰尘和污染物的积累造成的影响更值得被关注。灰尘会降低玻璃透光率和光伏组件功率。

这种污染现象比较复杂，受湿度、风速、风向、粉尘性质、光伏组件倾斜角度等多因素的影响。灰尘等污染物的粘附，也是限制减反射薄膜使用的一个主要缺点。

通过一组室内和室外实验，研究了在阿拉伯联合酋长国当地气候条件下灰尘对光伏系统性能的影响。

可观察到，由于光伏组件上的灰尘颗粒尺寸较小(约为1.61~38.40µm)，易于沉降，从而导致光伏组件性能下降。

光伏组件的倾斜角度同样也影响到尘土积累，随着倾斜角度增大，受重力影响，有助于玻璃表面的除灰。此外，沙尘的积累程度受当地气候条件影响较大。

因此，近年来具备防尘特性的保护膜被广泛研究。防尘膜又叫AS保护膜(ASC)，也叫防污膜，广泛使用在光伏玻璃表面。

当然，减弱灰尘等污染物对光伏玻璃表面影响的方法有很多，如自然过程中的降水和大风，机械或机电设备的使用，如清扫机器人和表面功能化等方法。

研究光伏玻璃表面粗糙度对粉尘颗粒与光伏玻璃附着力的关系，可发现随着表面粗糙度增加，颗粒附着力逐渐减小，这是因为粉尘颗粒与玻璃表面接触面积减小，也就是接触角逐渐变大。

在防尘膜中，大多数薄膜或涂层只有抗污作用，没有起到增加光伏玻璃透光度的效果，然而，一些学者将抗污效果和减反射的增透作用结合起来研究。

研究指出亲水多孔的SiO2涂层在干旱地区不仅具有增透性，而且具有抗污性。

SiO2涂层在干燥条件下的抗污性能，源于SiO2表面形成的水薄膜的电导率抑制了表面静电效应，阻止了静电电荷的局部化。

这是因为由于多孔的SiO2涂层含有许多羟基(-OH)，可以在表面吸附水，因此形成了一层水膜。

为了进一步研究SiO2减反射膜的除污过程，有研究提出了一种风洞实验方案，研究干燥条件下SiO2减反射膜在粉尘沉积和除尘过程中的抗污效果。

他们的工作表明，在低风速，0°倾角条件下，SiO2减反射膜不影响粉尘的沉降，但对干式除尘有显著影响，与未使用减反射膜的表面相比，干式除尘开始于较低的风速，并可以更快地清洁表面，使用涂层的表面具有更高的透光率。

随着玻璃板被灰尘污染得越来越严重，涂层的作用逐渐降低，透光率越来越小。粉尘的堆积主要影响可见光波段长波部分的透射率。短波部分也会受到影响，但强度较低，如图2所示。

图2 ARC、ASC、未镀膜表面上的累积除尘曲线图

有研究显示在沿海城市气候条件下，不同的硅基减反射膜的表面形貌和化学特性对防尘性能的影响，分别制备了中空SiO2纳米颗粒减反射膜(HSN)，SiO2纳米颗粒减反射膜(SSN)，甲基基团改性的亲水性HSN(CH3-HSN)和含氟基团改性的疏水性HSN(F-HSN)4种样品。

由表1可以看出，4种减反射膜透光率均大于玻璃基体，说明均可以实现增透的作用。

随着6个月的户外实证，环境因素的影响，从∆T1-6/∆Tpv(%)看出，HSN的值最低为1.60说明HSN膜具有长期抗污防尘的能力，SSN和CH3-HSN比玻璃1.90略高，防污能力与玻璃相当，F-HSN值为4.50明显高于玻璃，说明无长期防尘作用。

此外通过对4种减反射膜粗糙度的表征，HSNARC比SSNARC表面粗糙度更大，具有更好的抗污性能。在4种减反射膜和未镀膜玻璃中，疏水的F-HSN抗污性能最差，是因为污染物与其表面的附着力最大，同时也因为室外的样品组件倾角不足以通过雨水去除污染物。

在不同玻璃表面进行了减反射、疏水涂层、减反射/防尘处理，并制备了异质结组件。通过控制不同的环境温度和样品温度来实现对相对湿度(RH)的控制，从而模拟不同的自然环境，分别模拟了RH=20%(晴天)、RH=80%(夜晚结束时结露)、RH=40%(相对干燥的阴天)的环境。

结果表明：当达到露点时，玻璃表面上的露珠，会形成类似的水通道，此时通过分光光度计测量玻璃的透光率，与短路电流Isc的降低没有很好的线性关系。当灰尘累计到1~2g/m2时，组件中电流损耗从5%升到7%，电流损耗同时也受玻璃表面露珠形成的水通道影响。经过减反射/防尘处理的玻璃表面，在不同自然环境和灰尘影响下，在可见光波段其透过率均表现最好。

制备不同润湿性的透明涂层：超亲水性、亲水性、疏水性和超疏水性，通过实验研究了其抗污防尘效果。

通过粉尘沉积密度、透光率、光伏效率等指标，表征了不同润湿性涂层的防尘性能。亲水性、疏水性和超疏水性透明涂层均具有良好的防尘抗污性能，超亲水涂层主要受高表面能影响，表面粗糙度对抵抗粘附效果的贡献较小，防尘效果较低。

对于使用不同润湿性的涂层，与未处理的玻璃基板相比，效率损失由1.5%~6.5%减少到1%~3%，其中使用超疏水涂层的光伏组件效率降低最小。

这再次表明疏水性和亲水性涂层均可以作为防尘膜，且超疏水涂层在使用过程中退化为疏水性，甚至是亲水性时，仍有一定的抗污能力，提高了超疏水涂层的使用寿命，并且扩大了涂层的使用范围。

此外，除了光伏中常用的增透膜和防尘膜外，在一些特殊应用场景，如机场等对眩光有严格要求的光伏应用场景，需要用到防眩光玻璃，以免对起飞或降落的飞机驾驶安全造成影响。

在光伏建筑一体化中(BIPV)，同样需要使用防眩光涂层，如LOW-E膜或其他彩色装饰涂层来达到光伏与建筑的匹配融合。近年来，这已经引起了更多人的研究兴趣。

本文总结了：玻璃表面不同减反射膜或增透膜、防尘膜、防眩光薄膜等对光伏组件带来的影响和收益，以及不同气候条件下，疏水性和亲水性等功能化对玻璃和组件的影响。

来源：光伏组件盖板封装材料的研究进展